材料物理 笔记-6

发布于:2024-04-21 ⋅ 阅读:(32) ⋅ 点赞:(0)

原内容请参考哈尔滨工业大学何飞教授:https://www.bilibili.com/video/BV18b4y1Y7wd/?p=12&spm_id_from=pageDriver&vd_source=61654d4a6e8d7941436149dd99026962
或《材料物理性能及其在材料研究中的应用》(哈尔滨工业大学出版社)

材料的介电性能

材料在外电场作用下的行为

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电介质、极化、电偶极矩

电介质是一类绝缘体,在外电场的作用下的行为表现为极化。上述被束缚的电荷不能发生如载流子一样的长程迁移,但可以发生微小的移动。在电场作用下,这一微小移动可使正负束缚的电荷中心不再重合,产生电偶极矩或使得电偶极矩发生改变,从而产生极化表面产生感应电荷

电介质极化

极化的定义

电荷束缚系统中,正/负电荷中心分离的现象称为极化。

非极性电介质

分子内正、负电荷中心重合。(Eg. : He/H2/CH4 / etc.)

极性电介质

分子内正、负电荷中心不相重合,其间存在一定的距离。(Eg. : H2O/ HCl / NH3 / CH3OH / etc.)
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平板电容器中的电介质极化

电介质的定义

在电场作用下能建立极化(束缚电荷起主要作用)的物质。

电介质的极化

电介质在电场作用下产生感应电荷的现象。

平板电容器

真空平板电容器

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真空平板电容器电容

C 0 = Q 0 U = ϵ 0 ( U d ) S U = ϵ 0 S d C_0=\frac{Q_0}{U}=\frac{\epsilon_0(\frac{U}{d})S}{U}=\epsilon_0\frac{S}{d} C0=UQ0=Uϵ0(dU)S=ϵ0dS

  • C 0 : 真空平板电容器电容 C_0:真空平板电容器电容 C0:真空平板电容器电容
  • Q 0 : 平板上的电荷量 Q_0:平板上的电荷量 Q0:平板上的电荷量
  • U : 平板上的电压 U:平板上的电压 U:平板上的电压
  • S : 极板面积 S:极板面积 S:极板面积
  • d : 极板间距 d:极板间距 d:极板间距
  • ϵ 0 : 真空介电常数 ,    ϵ 0 = 8.85 × 1 0 − 12    F / m \epsilon_0:真空介电常数,\;\epsilon_0=8.85\times10^{-12}\;\mathrm{F/m} ϵ0:真空介电常数,ϵ0=8.85×1012F/m

真空平板电容器的电荷量由平板的几何尺寸决定。

插入电介质的平板电容器

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在外加电场作用下,靠近正极板附近的电介质表面将感应出电荷量为 − Q d -Q_d Qd的负电荷;靠近负极板附近的电介质表面将感应出电荷量为 Q d Q_d Qd的正电荷。这些感应出的表面电荷称为感应电荷(束缚电荷)。

平板电容器某一极板上的总电荷量

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由于电介质内部存在可以相互抵消的感应电荷,因此电介质内部存在无电荷区。此时电容器中某一极板上的总电荷量等于 Q 0 + Q d Q_0+Q_d Q0+Qd

电介质的作用

由于电介质的存在,极化后产生束缚电荷,因而使电容器中可容纳的电荷量增多,提高了电容器的电荷存储能力。

嵌入电介质的平板电容器的电容关系表达式

C = ϵ r C 0 = ϵ r ϵ 0 S d = ϵ S d C=\epsilon_rC_0=\epsilon_r\epsilon_0\frac{S}{d}=\epsilon\frac{S}{d} C=ϵrC0=ϵrϵ0dS=ϵdS

  • C : 平板电容器电容 C:平板电容器电容 C:平板电容器电容
  • C 0 : 真空平板电容器电容 C_0:真空平板电容器电容 C0:真空平板电容器电容
  • S : 极板面积 S:极板面积 S:极板面积
  • d : 极板间距 d:极板间距 d:极板间距
  • ϵ r : 相对介电常数 \epsilon_r:相对介电常数 ϵr:相对介电常数(无量纲)
  • ϵ = ϵ r ϵ 0 : 介电常数 \epsilon=\epsilon_r\epsilon_0:介电常数 ϵ=ϵrϵ0:介电常数(电容率)
电容率的物理意义

ϵ \epsilon ϵ直接反映出电介质材料在电场中的极化特性,其值越大则材料的极化能力越强。

电偶极子与电偶极矩

电偶极子

大小相等、符号相反、彼此相距为 l l l的一对点电荷 ( + q , − q ) (+q,-q) (+q,q)所组成的束缚系统。

电偶极矩(电矩)

电荷量与距离的乘积,单位为:库伦·米
μ = q ⋅ l \mu=q\cdot l μ=ql

电偶极矩的方向

由负电荷指向正电荷,与外电场方向一致

电极化强度

单位体积内的电偶极矩矢量总和:
P = ∑ μ V        ( C / m 2 ) P=\frac{\sum{\mu}}{V}\;\;\;(\mathrm{C/m^2}) P=Vμ(C/m2)

非极性分子的电极化强度

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  • 无外加电场时,由于每个分子都是非极性的,因此电偶极矩均为零,故 P = 0 P=0 P=0;
  • 有外加电场时,每个非极性分子都在电场作用下被极化出现电偶极矩,此时单位体积内所有的偶极矩的矢量和不为零。

极性分子的电极化强度

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  • 无外加电场时,大量极性分子的偶极矩排列混乱,即偶极矩的矢量和为零,故 P = 0 P=0 P=0,此时电介质对外不显现极性;
  • 有外加电场时,极性分子发生转向,使偶极子趋于与外加电场方向一致,此时单位体积内的偶极矩的矢量和不为零。

外加电场对电极化强度的影响

外加电场越强,电偶极矩在电场驱动下趋近于一致的倾向性越大,即物质的偶极矩的矢量和越大,即 P P P越大。

电极化强度等价于电荷面密度

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在单位长度的电介质中,取一厚度为 d d d,面积为 Δ S \Delta S ΔS的柱体。柱体两底面的电极化电荷密度分别为 + σ d +\sigma_d +σd − σ d -\sigma_d σd。在该单位长度的柱体内,所有分子的电偶极矩的矢量和如下所示。其中 σ d Δ S \sigma_d\Delta S σdΔS为电介质某一侧的电荷量, d d d为正、负电荷之间的距离。
∑ μ = σ d Δ S ⋅ d ⇒ P = ∑ μ V = σ d Δ S ⋅ d Δ S ⋅ d = σ d \sum{\mu}=\sigma_d\Delta S \cdot d\Rightarrow P=\frac{\sum{\mu}}{V}=\frac{\sigma_d\Delta S\cdot d}{\Delta S \cdot d}=\sigma_d μ=σdΔSdP=Vμ=ΔSdσdΔSd=σd
其中, σ d \sigma_d σd为极化电荷面密度。

平板电容器内的电场强度分析

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实际上在电场中发生极化的现象,出现极化电荷,这些电荷反过来又将影响原来的电场。

自由电荷产生的电场强度 E 0 E_0 E0

由静电场的高斯定律可知,极板间电场强度 E 0 E_0 E0的大小满足:
E 0 = σ 0 ϵ 0 E_0=\frac{\sigma_0}{\epsilon_0} E0=ϵ0σ0 σ 0 : 自由电荷面密度 \sigma_0:自由电荷面密度 σ0:自由电荷面密度
该电场是外加电场提供的自由电荷作用于电容器两极板上所产生的。

极化电荷产生的电场强度 E d E_d Ed(退极化场)

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E d = σ d ϵ 0 = P ϵ 0 E_d=\frac{\sigma_d}{\epsilon_0}=\frac{P}{\epsilon_0} Ed=ϵ0σd=ϵ0P σ d : 感应电荷面密度 \sigma_d:感应电荷面密度 σd:感应电荷面密度

嵌入电介质后的真实电场强度

等于外加电场自由电荷产生的场强 E 0 E_0 E0与极化电荷产生的退极化场 E d E_d Ed的矢量和。
在平板电容器中可以表示为: E = E 0 − E d = σ 0 ϵ 0 − P ϵ 0 = 1 ϵ 0 ( σ 0 − σ d ) E=E_0-E_d=\frac{\sigma_0}{\epsilon_0}-\frac{P}{\epsilon_0}=\frac{1}{\epsilon_0}(\sigma_0-\sigma_d) E=E0Ed=ϵ0σ0ϵ0P=ϵ01(σ0σd)

相对介电常数与电场强度的关系

ϵ r = C C 0 = Q 0 / Δ U Q 0 / Δ U 0 = Δ U 0 Δ U \epsilon_r=\frac{C}{C_0}=\frac{Q_0/\Delta U}{Q_0/\Delta U_0}=\frac{\Delta U_0}{\Delta U} ϵr=C0C=Q0U0Q0U=ΔUΔU0
即,嵌入电介质后,实际两极板间的电压 Δ U 0 \Delta U_0 ΔU0下降为 Δ U \Delta U ΔU。此时电容器在容纳的电荷量一定的情况下, 两极板间的电势差比无电介质时少,相当于增大了电容器的电容量。
由于电场强度 E E E为单位长度上的电势差,因此可将相对介电常数用电场强度的形式写出:
ϵ r = C C 0 = Q 0 / Δ U Q 0 / Δ U 0 = Δ U 0 Δ U = E 0 d E d = E 0 E \epsilon_r=\frac{C}{C_0}=\frac{Q_0/\Delta U}{Q_0/\Delta U_0}=\frac{\Delta U_0}{\Delta U}=\frac{E_0d}{Ed}=\frac{E_0}{E} ϵr=C0C=Q0U0Q0U=ΔUΔU0=EdE0d=EE0
故可得到:
E = E 0 ϵ r E=\frac{E_0}{\epsilon_r} E=ϵrE0

由电介质时电场强度降低的原因

因为极化电荷产生了退极化场。

电极化强度、介电常数、电场强度的关系

E = E 0 ϵ r E = 1 ϵ 0 ( σ 0 − σ d ) E 0 = σ 0 ϵ 0 } ⇒ E = σ 0 − σ d ϵ 0 = σ 0 ϵ r ϵ 0 ⇒ σ d = ( ϵ r − 1 ) σ 0 ϵ r \left. \begin{aligned} &E=\frac{E_0}{\epsilon_r}\\ &E=\frac{1}{\epsilon_0}(\sigma_0-\sigma_d)\\ &E_0=\frac{\sigma_0}{\epsilon_0} \end{aligned}\right\}\Rightarrow E=\frac{\sigma_0-\sigma_d}{\epsilon_0}=\frac{\sigma_0}{\epsilon_r\epsilon_0} \Rightarrow \sigma_d=(\epsilon_r-1)\frac{\sigma_0}{\epsilon_r} E=ϵrE0E=ϵ01(σ0σd)E0=ϵ0σ0 E=ϵ0σ0σd=ϵrϵ0σ0σd=(ϵr1)ϵrσ0
∵ E = σ 0 ϵ r ϵ 0 ∴ σ d = ( ϵ r − 1 ) ϵ 0 E = P \left. \begin{aligned} & \because E=\frac{\sigma_0}{\epsilon_r\epsilon_0}\\ & \therefore \sigma_d=(\epsilon_r-1)\epsilon_0E=P \end{aligned} \right. E=ϵrϵ0σ0σd=(ϵr1)ϵ0E=P

电极化率(静电场情况)

χ e = ϵ r − 1 \chi_e=\epsilon_r-1 χe=ϵr1,则 P = ( ϵ r − 1 ) ϵ 0 E = χ e ϵ 0 E P=(\epsilon_r-1)\epsilon_0E=\chi_e\epsilon_0E P=(ϵr1)ϵ0E=χeϵ0E
此处的 χ e \chi_e χe定义为电介质的电极化率,表示材料被电极化的能力,是材料的宏观极化参数之一。介电常数与电极化率只相差1,因此两者在物理上是相同的概念。
*需要注意的是,这个关系讨论的是静电场中的电介质的极化情况,而对于交变电场的情况,这个结论是不成立的

电位移矢量 D D D与有效电场强度 E E E的关系

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电位移矢量是在讨论静电场中存在电介质的情况下,电荷分布和电场强度的关系时所引入的辅助矢量。

  • 真空状态下:极板上的电位移矢量 D D D真空电场强度 E 0 E_0 E0满足正比例关系:
    D = ϵ 0 E 0 D=\epsilon_0E_0 D=ϵ0E0
  • 两极板间加入电介质的情况:
    D = ϵ 0 E + P = ϵ 0 E + χ e ϵ 0 E = ( 1 + χ e ) ϵ 0 E D=\epsilon_0E+P=\epsilon_0E+\chi_e\epsilon_0E=(1+\chi_e)\epsilon_0E D=ϵ0E+P=ϵ0E+χeϵ0E=(1+χe)ϵ0E

1 + χ e = ϵ r 1+\chi_e=\epsilon_r 1+χe=ϵr,则 D = ϵ r ϵ 0 E = ϵ E D=\epsilon_r\epsilon_0E=\epsilon E D=ϵrϵ0E=ϵE
此时电位移矢量 D D D有效电场强度 E = E 0 − E d E=E_0-E_d E=E0Ed满足正比例关系。

微观与宏观角度理解电极化强度的意义

{ P = ∑ μ V                ( 微观角度出发的定义 ) P = χ e ϵ 0 E            ( 实验条件出发的结论 ) \left\{ \begin{aligned} & P=\frac{\sum{\mu}}{V}\;\;\;\;\;\;\;(微观角度出发的定义)\\ & P= \chi_e\epsilon_0E\;\;\;\;\;(实验条件出发的结论) \end{aligned} \right. P=Vμ(微观角度出发的定义)P=χeϵ0E(实验条件出发的结论)

  • 微观:从理论分析上考虑,如果知道材料内部各种电偶极矩的矢量情况,则可以获得电极化强度。
  • 宏观:同时也可以测定电极化强度随电场强度的变化关系,进而得到电极化率(材料自身被电极化的能力)。